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Simulation Software gibt Massivumformern neue Antworten

| Autor: Stéphane Itasse

Softwarewerkzeuge zur Simulation sind aus der modernen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Doch Anwender schöpfen ihre Möglichkeiten nicht unbedingt aus. Auf dem 31. Jahrestreffen der Kaltmassivumformer und der 4. VDI-Konferenz Warmumformung zeigten Referenten neue Lösungsmöglichkeiten mithilfe der Simulation.

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Was geschieht genau in einer Massivumformpresse? Hier hilft nicht nur die Prozessüberwachung, sondern auch eine FEM-Simulation weiter.
Was geschieht genau in einer Massivumformpresse? Hier hilft nicht nur die Prozessüberwachung, sondern auch eine FEM-Simulation weiter.
(Bild: Carlo Salvi)

Warum versagen Massivumformwerkzeuge, und warum versagen sie manchmal so schnell? Diesen Fragen ist Marc Rosenkranz aus der Verfahrensentwicklung Massivumformung bei Sieber Forming Solutions nachgegangen, und zwar sowohl für Setz- als auch für Fließpressprozesse.

Einzeln unkritische Spannungen lassen in Summe die Massivumformwerkzeuge versagen

„Setzprozesse gelten als einfach, trotzdem wird öfter ein Werkzeugversagen schon nach geringer Standzeit festgestellt“, sagte Rosenkranz auf dem Kaltmassivumformer-Jahrestreffen. Um die Gründe herauszufinden, hat er zwei Prozesse analysiert: Im ersten Fall wurde der Hub haargenau auf das Werkstück abgestimmt, im zweiten Fall ein Überhub simuliert. Bei Letzterem zeigte sich in der Simulation, dass die Tangentialspannung im Werkzeugkern nach dem Nennhub überdurchschnittlich steigt und zusätzliche Axialspannungen entstehen. Außerdem konnte Rosenkranz eine Zugspannung im Bereich des Stempels und zugleich eine Druckspannung im Bereich des Pressteils feststellen. „Auch wenn jede dieser Spannungen für sich genommen unkritisch ist, in Summe sind sie sehr ungünstig und erreichen gegebenenfalls einen kritischen Bereich. Dann reißt die Matritze, insbesondere bei sprödharten Werkstoffen wie Hartmetall“, sagte er.

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Deutlich komplexer sind Fließprozesse. Doch auch wenn die Parameter genauer definiert sind, kommt es zu Werkzeugversagen. Laut Rosenkranz hat dies meist zwei Ursachen: entweder ein unterarmiertes Werkzeug oder eine zu große Ausformung.

Zu diesen Ergebnissen kam er ebenfalls mittels Simulation, drei Situationen hat er dafür durchgerechnet: zum einen mit einer Matritze mit sehr geringem Schrumpfaufmaß, dann mit genau abgestimmtem Hub und schließlich mit Überhub. Im ersten Fall, bei einer kleinen Matritze, zeigte die Simulation starke Tangentialspannungen. Außerdem traten lokal Zugspannungen auf. „Diese Zug-Druck-Wechselspannungen sind für sprödharte Werkstoffe sehr ungünstig“, sagte Rosenkranz.

Überhub führt zu Zug-Druck-Wechselspannungen

Beim Überhub stiegen laut Simulation die Spannungen im Werkzeugkern ebenfalls dramatisch an, hinzu kamen lokal sehr hohe Zugspannungen oberhalb der Fließpresskontur, was zum Entstehen von Zug-Druck-Wechselspannungen führte. Zusätzlich ergab sich, wie beim Setzprozess, ein komplett eingeschlossenes Materialvolumen mit den gleichen Problemen am Übergang zwischen Werkstück und Stempel. „Das sind sehr ungünstige Belastungssituationen für unsere Matritzen, bei denen es zu Querrissen kommen kann“, erläuterte Rosenkranz.

Um das Problem zu lösen, sieht er zwei Wege: „Einerseits kann man die Vorspannung im Werkzeug erhöhen, das Werkzeug kann dann höhere Belastungen aufnehmen. Möglichkeiten hierzu sind ein mehrfach armiertes Werkzeug oder ein optimierter Kernwerkstoff. Andererseits kann man die Prozesskräfte reduzieren, indem man die Reibverhältnisse optimiert oder eine geeignete Beschichtung wählt.“

„Werkzeugversagen ist in der Regel keine eindeutige Sache“, bilanzierte Rosenkranz. „Man muss stets alle Prozessparameter hinterfragen und unterscheiden, welche Werkzeugparameter einen wesentlichen Einfluss haben und welche vernachlässigbar sind.“

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 Stéphane Itasse

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